JP2001303197A - 凝固組織が微細な鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋼の組成が液相線温度においてオーステナイ
ト相を呈する鋼について、凝固組織を微細化することに
より、その後の圧延または鍛造における再結晶を促進
し、圧減比や鍛造比の節減、および再結晶温度の低温
化、再結晶時間の短時間化による製造コスト削減を図
る。 【解決手段】 Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，
Ｇｄの元素のうちの１種類以上の窒化物を含有する最大
径０．０１〜１０．０μｍの介在物が、任意の断面にお
いて１個／mm² 以上存在せしめることを特徴とする凝固
組織が微細な鋼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液相からの凝固時
に液相＋オーステナイト相併存状態、または液相＋フェ
ライト相＋オーステナイト相併存状態を経て凝固完了す
る鋼において、等軸晶の比率を上げ、凝固完了直後の平
均結晶粒径を概ね３mm以下に微細化できる鋼に関するも
のである。

【０００２】凝固組織を微細化することにより、その後
の圧延または鍛造における再結晶が促進されるため、圧
減比や鍛造比の節減、および再結晶温度の低温化、再結
晶時間の短時間化が可能になり、製造コスト削減を図れ
る。一方、スラブやインゴットの結晶粒径が微細なこと
によって熱間加工性が向上し、表面割れが生じ難くな
り、熱間加工時の割れに起因する製品表面疵を抑えられ
るため、製品歩留り向上が図れる。同時に普通鋼におい
てはＰ，Ｓ等、ステンレス鋼においてはＮ，Ｃｒ，Ｍｏ
等の凝固偏析を微細分散化できるため、これら凝固偏析
の除去に必要となる偏析元素の拡散距離を短くでき、圧
延や鍛造前に実施するスラブやインゴットの凝固偏析除
去のための熱処理が、従来よりも低温化または短時間化
することが可能となるため、製造コスト削減が図れる。

【０００３】

【従来の技術】炭素鋼やオーステナイト系ステンレス鋼
に代表される液相からの凝固時に、オーステナイト相を
固相として含む状態を経て凝固が進行する従来の鋼で
は、鋼の商業生産に広く用いられている鋳造装置により
当該鋼を鋳造した際、当該鋼のインゴットやスラブの鋳
造組織における等軸晶の比率を上げて、凝固直後の結晶
粒径を平均で概ね３mm以下に微細化することは難しい。
一般に、鋼は広い温度範囲における強度や延性および靭
性確保のために結晶粒径が小さく、個々の結晶粒径は互
いに揃っていた方が好ましいが、一般にインゴットやス
ラブなどの凝固組織の結晶粒径は数〜数十mmオーダーで
あり、大きさや形状は不揃いである。

【０００４】したがって、熱間圧延厚板等では圧延や鍛
造工程以降の再結晶により結晶粒径を小さく（概ね１０
０μｍ以下を目標とする）かつ揃えるが、この再結晶の
ために必要となる加工ひずみをインゴットやスラブなど
の素材に充分に加えるため、熱間圧延や鍛造時における
圧減比や鍛造比、すなわち初期の素材厚さと圧延や鍛造
後の製品厚さの比を充分とることが必要である。このた
め圧延・鍛造工程コストを低減するには限界があった。

【０００５】インゴットやスラブなどの素材の初期の大
きさと最終製品の大きさが近く、単純に圧減比・鍛造比
が充分とれない場合は、一旦最終圧延・鍛造方向と異な
る方向に圧延や鍛造を施した後、最終圧延・鍛造を行っ
て、材料に与える総合的な加工ひずみを充分とれるよう
に圧延・鍛造の工程を組む必要があり、最終製品の大き
いものは圧延・鍛造工程コストがかさむ。また、圧延ま
たは鍛造後の再結晶を完了させるためには、素材の初期
結晶粒径や素材に与えた加工ひずみに依存する下限熱処
理温度や下限熱処理時間があり、熱処理の負荷を軽減す
るには限界がある。

【０００６】さらに、インゴットやスラブの鋳造組織が
粗大であると熱間加工性を損ねる場合があり、圧延また
は鍛造時に表面の結晶粒界で割れを生じ、その割れがそ
の後の圧延または鍛造により伸展し、表面疵となって製
品の歩留りを落とす。一方、インゴットやスラブの鋳造
組織が粗大であると、炭素鋼においてはＰ，Ｓ等、ステ
ンレス鋼においてはＮ，Ｃｒ，Ｍｏ等の凝固偏析が顕著
に製品に残る場合があり、炭素鋼においては機械的性質
を、ステンレス鋼においては高温強度特性や耐食性を損
ねる場合がある。したがって偏析元素の拡散を促し凝固
偏析を緩和するため、インゴットやスラブの高温均質化
熱処理が必要となる場合がある。この高温均質化熱処理
は１１００℃以上数時間要する場合があり、製造コスト
に占める割合が大きくなり、コスト削減に限界があっ
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】Ｃｒ含有鋼の凝固組織
を微細化する方法として、特開平１０−３２４９５６号
公報に、溶鋼中に微細分散したＭｇ系酸化物をフェライ
ト凝固の接種核として活用する方法が開示されている。
この技術はＭｇ含有酸化物を凝固組織の等軸晶化に活用
し、フェライト系ステンレス薄鋼板のリジング特性を向
上するものであるが、液相からの凝固時にオーステナイ
ト相を固相として含む場合には、その効果が全く得られ
ないことが判明した。

【０００８】本発明は、炭素鋼やオーステナイト系ステ
ンレス鋼に代表されるオーステナイト相を含む状態を経
て凝固が進行する鋼において、当該鋼のインゴットやス
ラブの鋳造組織における等軸晶の比率を上げ、凝固組織
の平均結晶粒径を小さくできる鋼を提供するものであ
る。本発明鋼により、圧減比や鍛造比の低減、再結晶の
ための熱処理負荷の低減、熱間加工性が向上することに
よる表面疵発生の抑制、凝固偏析除去のための熱処理負
荷低減等が図れ、製品の品質・性能の向上と製造コスト
削減が両立できる鋼を提供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、固相としてオ
ーステナイト相を含む状態を経て凝固が進行する鋼にお
いて、インゴットやスラブの凝固組織における等軸晶の
比率を上げ、結晶粒径を微細化する方策を研究し、以下
を発明した。 （１）Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄの元
素のうちの１種類以上で窒化物を形成し、該窒化物を含
有する最大径０．０１〜１０．０μｍの介在物が、鋼の
任意の断面において１個／mm² 以上存在することを特徴
とする凝固組織が微細な鋼。 （２）介在物が、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅ
ｕ，Ｇｄの元素からなる窒化物のうちの１種類以上と、
Ｓｉ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｙ，Ｚｒの酸化物もし
くは窒化物のうちの１種以上とが複合析出したものであ
ることを特徴とする前記（１）記載の凝固組織が微細な
鋼。 （３）鋼の組成が液相線温度から凝固温度までの温度域
においてオーステナイト相を含有する組成であることを
特徴とする前記（１）もしくは（２）記載の凝固組織が
微細な鋼。 （４）鋼の組成が質量％で、 Ｃ ：０．０８％以下、 Ｓｉ：１．０％以下、 Ｍｎ：０．０１〜１６．０％、 Ｃｒ：１０〜３２％、 Ｎｉ：３０％以下、 Ａｌ：０．０５以下、 Ｎ ：０．４％以下 を含むオーステナイト系ステンレスであることを特徴と
する前記（３）記載の凝固組織が微細な鋼。 （５）オーステナイト系ステンレス鋼の組成が、質量％
でさらに、 Ｃｕ：３．０％以下、 Ｍｏ：７．０％以下、 Ｗ ：４．０％以下、 Ｖ ：０．２５％以下、 Ｔｉ＋Ｎｂ：１．０％以下 の１種以上を含むものであることを特徴とする前記
（４）記載の凝固組織が微細な鋼。 （６）鋼の組成が質量％で、 Ｃ ：０．０５〜２．０％、 Ｓｉ：３．０％以下、 Ｍｎ：０．０１〜１６．０％、 Ａｌ：０．０５％以下、 Ｎ ：０．４％以下 を含む炭素鋼であることを特徴とする前記（３）記載の
凝固組織が微細な鋼。 （７）鋼の組成として質量％でさらに、Sol.Ａｌ：０．
０２％以上を含有することを特徴とする前記（１）ない
し（６）のいずれか１項に記載の凝固組織が微細な鋼。 （８）鋼の組成として質量％でさらに、Ｎ：０．１％以
上を含有することを特徴とする前記（１）ないし（７）
のいずれか１項に記載の凝固組織が微細な鋼。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明において、前述の如く窒化
物とその存在状態を限定した理由を述べる。Ｌａ，Ｃ
ｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄは、窒化物として鋼
中に分散させた場合、液相線温度から凝固温度までの温
度域においてオーステナイト相を含有する鋼にて凝固組
織の等軸晶の比率が上がり、凝固組織の結晶粒径を平均
で概ね３mm以下に微細化できることを見出した。特に、
Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄのうちの１
種類以上の元素が、最大径０．０１〜１０．０μｍの窒
化物を形成し、これが鋼の任意の断面において１個／mm
² 以上分散した状態で析出した場合、結晶粒径微細化効
果が明瞭となる。

【００１１】一方、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅ
ｕ，Ｇｄの最大径０．０１〜１０．０μｍの窒化物は、
例えばＣａＯ等の他元素の酸化物と隣接して複合析出
し、その複合析出物が任意の断面において１個／mm² 以
上分散した状態で析出した場合でも、凝固組織の結晶粒
径微細化効果が明瞭となる。

【００１２】また、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅ
ｕ，Ｇｄの最大径０．０１〜１０．０μｍの窒化物は、
単独析出または他元素の酸化物と隣接して複合析出し、
その単独析出物と複合析出物が任意の断面において合計
１個／mm² 以上分散した状態でも、凝固組織の結晶粒径
微細化効果が明瞭となる。

【００１３】最大径０．０１〜１０．０μｍのＬａ，Ｃ
ｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ系窒化物の存在状態
によって凝固組織が微細化できる機構の詳細について
は、現時点で不明であるが、本発明者らは、Ｌａ，Ｃ
ｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ系窒化物とオーステ
ナイト相では格子整合性が高く、これら窒化物がオース
テナイト相晶出の際の接種核となるため、Ｌａ，Ｃｅ，
Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ系窒化物の個数密度が大
きい場合には、結晶粒数が増加して鋳造組織の等軸晶の
比率が上がり、結晶粒径が微細化されると考えている。

【００１４】以上述べた以外の鋼組成としては、液相線
温度から凝固温度までの温度域においてオーステナイト
相を含有する組成であることが、本発明による効果を得
る上で重要である。オーステナイト相以外の相との混相
となっても構わないが、オーステナイト相の比率が大き
いほど本発明の効果が明瞭となる。

【００１５】具体的な鋼組成については特に限定するも
のではないが、たとえばオーステナイト系ステンレス鋼
では、質量％で、Ｃ：０．０８％以下、Ｓｉ：１．０％
以下、Ｍｎ：０．０１〜１６．０％、Ｃｒ：１０〜３２
％、Ｎｉ：３０％以下、Ａｌ：０．０５％以下、Ｎ：
０．４％以下を含む組成であり、さらに諸特性の向上を
狙って、Ｃｕ：３．０％以下、Ｍｏ：７．０％以下、
Ｗ：４．０％以下、Ｖ：０．２５％以下、Ｔｉ＋Ｎｂ：
１．０％以下の１種以上を添加してもよい。また炭素鋼
においては、質量％で、Ｃ：０．０５〜２．０％、Ｓ
ｉ：３．０％以下、Ｍｎ：０．０１〜１６．０％、Ａ
ｌ：０．０５％以下、Ｎ：０．４％以下を含む組成であ
る。

【００１６】以上述べた鋼を製造する方法としては、公
知の溶製方法を用いればよい。ただし本発明において
は、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄの元素
の１種以上の窒化物を生成させることが必要であるた
め、これら元素の添加源を投入する時点において、溶鋼
中の酸素濃度を十分に低減しておくか、十分な量の窒素
が溶解されている必要がある。酸素濃度を低減しておく
にはＡｌを用いて脱酸するのが有効であり、特に溶鋼中
にSol.Ａｌとして０．０２％以上のＡｌが残存している
のが好ましい。またＮとしては０．１％以上溶解されて
いるのが好ましい。

【００１７】Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇ
ｄの添加源としては、特定元素を選別したものを用いて
もよいが、これらの元素が不特定に混入するミッシュメ
タルを用いるのが好ましい。

【００１８】本発明鋼は凝固組織の結晶粒径が平均で概
ね３mm以下に微細化できるため、 圧延または鍛造後の再結晶サイトとしての結晶粒界
が多くなる。 凝固組織の粒界面積が増大し、Ｐ，Ｓの結晶粒界へ
の偏析により熱間加工性を減ずる作用が軽減される。 凝固組織の結晶粒径に依存する成分元素の偏析ピッ
チが小さくなり、その後の熱処理で偏析が拡散軽減され
易くなる。 したがって、前述により、圧減比や鍛造比の節減、再
結晶や偏析除去のための熱処理負荷の低減、また前述
により、熱間加工性が向上することによる表面疵発生の
抑制による歩留り向上、および前述により、スラブや
インゴットの高温均質化熱処理の負荷軽減によって、製
品の品質・性能を高くしながら製造コスト削減が図れ
る。

【００１９】

【実施例】（実施例１）表１に示した、液相とオーステ
ナイト相が併存する状態を経て凝固する炭素鋼である供
試鋼Ａ、およびオーステナイト系ステンレス鋼である供
試鋼Ｂを母金属として各々溶解し、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，
Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄをそれぞれ単独添加し、その添
加量を変えて凝固させた場合の、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎ
ｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄのそれぞれ最大径０．０１〜１
０．０μｍの、窒化物の個数密度と凝固組織の平均粒径
の関係を図１〜７に示す。Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓ
ｍ，Ｅｕ，Ｇｄのそれぞれ最大径０．０１〜１０．０μ
ｍの窒化物の個数密度が１個／mm² 以上で、供試鋼Ａ，
Ｂの凝固組織の等軸晶の比率が急激に上がり、凝固組織
の結晶粒径を概ね３mm以下とすることができた。

【００２０】

【表１】

【００２１】（実施例２）表１に示した供試鋼Ａおよび
Ｂを母金属として溶解し、ミッシュメタルを用いてＬ
ａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍを複合添加し、そのミッシ
ュメタルの添加量を変えて凝固させた場合の、最大径
０．０１〜１０．０μｍのＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓ
ｍ系窒化物の、合計個数密度と凝固組織平均粒径の関係
を図８に示す。最大径０．０１〜１０．０μｍのＬａ，
Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ系窒化物の個数密度が１個／mm
² 以上で、供試鋼Ａ，Ｂの凝固組織の等軸晶の比率が急
激に上がり、凝固組織の結晶粒径を概ね３mm以下とする
ことができた。

【００２２】（実施例３）表１に示した供試鋼Ａおよび
Ｂを母金属として溶解し、ミッシュメタルを用いてＬ
ａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍを複合添加し、そのミッシ
ュメタルの添加量を変えると共に、脱酸剤として加える
Ｃａ量を変えた場合の、最大径０．０１〜１０．０μｍ
のＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ系窒化物の単独析出
物、またはＣａ酸化物と隣接した複合析出物の、合計個
数密度と凝固組織の平均粒径の関係を図９に示す。最大
径０．０１〜１０．０μｍのＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，
Ｓｍ系窒化物の単独析出物、またはＣａ酸化物と隣接し
た複合析出物の、合計個数密度が１個／mm ² 以上で、供
試鋼Ａ，Ｂの凝固組織の等軸晶の比率が急激に上がり、
凝固組織の結晶粒径を概ね３mm以下とすることができ
た。

【００２３】

【発明の効果】液相とオーステナイト相が併存する状態
を経て凝固する鋼において、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，
Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ系窒化物が鋼の任意の断面において１
個／mm ² 以上分散した状態で、凝固組織の平均粒径がほ
ぼ３mm以下となり微細化の効果が明瞭になる。また、本
窒化物が単独析出、あるいは他元素酸化物と隣接した複
合析出の別に関わらず、個数密度が合計で１個／mm² 以
上で凝固組織粒径微細化の効果が現れる。

【００２４】凝固組織の微細な本発明鋼は従来鋼と比
べ、圧減比や鍛造比の節減、表面疵発生の抑制による歩
留り向上、スラブやインゴットの高温均質化熱処理の負
荷軽減等によって、製品の品質・性能を高くしながら製
造コスト削減が図れる。したがって、本発明は産業上価
値の高いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】供試鋼Ａ，ＢにＬａを単独添加した場合の、Ｌ
ａ窒化物平均個数密度と凝固組織の平均結晶粒径の関係
を示す図である。

【図２】供試鋼Ａ，ＢにＣｅを単独添加した場合の、Ｃ
ｅ窒化物平均個数密度と凝固組織の平均結晶粒径の関係
を示す図である。

【図３】供試鋼Ａ，ＢにＰｒを単独添加した場合の、Ｐ
ｒ窒化物平均個数密度と凝固組織の平均結晶粒径の関係
を示す図である。

【図４】供試鋼Ａ，ＢにＮｄを単独添加した場合の、Ｎ
ｄ窒化物平均個数密度と凝固組織の平均結晶粒径の関係
を示す図である。

【図５】供試鋼Ａ，ＢにＳｍを単独添加した場合の、Ｓ
ｍ窒化物平均個数密度と凝固組織の平均結晶粒径の関係
を示す図である。

【図６】供試鋼Ａ，ＢにＥｕを単独添加した場合の、Ｅ
ｕ窒化物平均個数密度と凝固組織の平均結晶粒径の関係
を示す図である。

【図７】供試鋼Ａ，ＢにＧｄを単独添加した場合の、Ｇ
ｄ窒化物平均個数密度と凝固組織の平均結晶粒径の関係
を示す図である。

【図８】供試鋼Ａ，Ｂにミッシュメタルを用いてＬａ，
Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍを複合添加した場合の、Ｌａ，
Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ系窒化物平均個数密度と凝固組
織の平均結晶粒径の関係を示す図である。

【図９】供試鋼Ａ，Ｂにミッシュメタルを用いてＬａ，
Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍを複合添加し、かつ脱酸剤とし
てＣａを添加した場合の、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓ
ｍ系窒化物の単独析出物、およびＣａ酸化物と隣接する
複合析出物の、合計個数密度と凝固組織の平均結晶粒径
の関係を示す図である。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，
   Ｇｄの元素のうちの１種類以上で窒化物を形成し、該窒
   化物を含有する最大径０．０１〜１０．０μｍの介在物
   が、鋼の任意の断面において１個／mm² 以上存在するこ
   とを特徴とする凝固組織が微細な鋼。
2. 【請求項２】 介在物が、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓ
   ｍ，Ｅｕ，Ｇｄの元素からなる窒化物のうちの１種類以
   上と、Ｓｉ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｙ，Ｚｒの酸化
   物もしくは窒化物のうちの１種以上とが複合析出したも
   のであることを特徴とする請求項１記載の凝固組織が微
   細な鋼。
3. 【請求項３】 鋼の組成が液相線温度から凝固温度まで
   の温度域においてオーステナイト相を含有する組成であ
   ることを特徴とする請求項１もしくは２記載の凝固組織
   が微細な鋼。
4. 【請求項４】 鋼の組成が質量％で、 Ｃ ：０．０８％以下、 Ｓｉ：１．０％以下、 Ｍｎ：０．０１〜１６．０％、 Ｃｒ：１０〜３２％、 Ｎｉ：３０％以下、 Ａｌ：０．０５以下、 Ｎ ：０．４％以下 を含むオーステナイト系ステンレスであることを特徴と
   する請求項３記載の凝固組織が微細な鋼。
5. 【請求項５】 オーステナイト系ステンレス鋼の組成
   が、質量％でさらに、 Ｃｕ：３．０％以下、 Ｍｏ：７．０％以下、 Ｗ ：４．０％以下、 Ｖ ：０．２５％以下、 Ｔｉ＋Ｎｂ：１．０％以下 の１種以上を含むものであることを特徴とする請求項４
   記載の凝固組織が微細な鋼。
6. 【請求項６】 鋼の組成が質量％で、 Ｃ ：０．０５〜２．０％、 Ｓｉ：３．０％以下、 Ｍｎ：０．０１〜１６．０％、 Ａｌ：０．０５％以下、 Ｎ ：０．４％以下 を含む炭素鋼であることを特徴とする請求項３記載の凝
   固組織が微細な鋼。
7. 【請求項７】 鋼の組成として質量％でさらに、Sol.Ａ
   ｌ：０．０２％以上を含有することを特徴とする請求項
   １ないし６のいずれか１項に記載の凝固組織が微細な
   鋼。
8. 【請求項８】 鋼の組成として質量％でさらに、Ｎ：
   ０．１％以上を含有することを特徴とする請求項１ない
   し７のいずれか１項に記載の凝固組織が微細な鋼。